УРОВНЕМЕР Российский патент 2013 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости в условиях значительных изменений диэлектрической проницаемости газовой среды над ее уровнем, преимущественно для контроля уровня воды в энергетических паровых котлах.

Известен радиоволновый уровнемер, содержащий чувствительный элемент, представляющий собой отрезок длинной линии, один конец которой погружен в жидкость, а другой соединен с генератором высокочастотного синусоидального напряжения, а также измеритель напряжения, подключенный к определенной точке отрезка длинной линии (Бобровников Г.Н., Катков А.Г. Методы измерения уровня. - М.: Машиностроение, 1997, 168 С.). В результате интерференции падающей и отраженной от уровня жидкости волн в отрезке длинной линии образуется стоячая волна и текущее значение уровня определяется по показаниям измерителя напряжения. Недостатком данного уровнемера являются низкая точность, а также влияние изменения электрических характеристик жидкости на его показания.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству является уровнемер, содержащий погруженный в жидкость отрезок длинной линии, выполненной в виде прямолинейного стержня, генератор зондирующих микроволновых импульсов, выход которого соединен с верхним концом отрезка длинной линии, приемник, первый амплитудный селектор, измеритель временных интервалов, а также вычислитель уровня, при этом верхний конец отрезка длинной линии подключен к входу приемника, выход которого соединен с входом первого амплитудного селектора, опорный выход генератора зондирующих микроволновых импульсов и выход первого амплитудного селектора являются соответственно управляющими входами старт и стоп измерителя временных интервалов, выход которого соединен с первым входом вычислителя уровня (Патент Германии №4404745, М.кл. G01F 23/28, 1995).

В известном уровнемере микроволновые импульсы, излученные генератором, распространяются вдоль отрезка длинной линии в газовой среде и отражаются от поверхности жидкости. Уровень жидкости определяется по временному сдвигу между прямым и отраженным микроволновыми импульсами, измерение длительности которого осуществляется в соответствии с технологией рефлектометрии с временным разрешением TDR (Time Domain Reflectometry).

Известный уровнемер имеет низкую точность при измерении уровня жидкости, диэлектрическая проницаемость ε газовой среды над которой изменяется в широких пределах.

Примером является контроль уровня воды в современных энергетических паровых котлах, производящих пар с температурой, достигающей 500°С и выше, при наиболее ответственном режиме их работы - пуске. При этом в начальный период пуска в диапазоне температур от 20 до 373°С диэлектрическая проницаемость водяного пара в состоянии насыщения изменяется от 1,000 до 3,883.

Такое увеличение диэлектрической проницаемости (от 1,000 до 3,883) приводит к значительному изменению скорости распространения электромагнитной волны вдоль длинной линии в газовой среде V, величина которой определяется выражением

$$V_1=\frac{C}{\sqrt{\epsilon }}$$ ,

где С - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме.

В результате изменения скорости распространения электромагнитной волны вдоль длинной линии, зависящей от диэлектрической проницаемости газовой среды, существенно снижается точность измерения уровня.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения уровня. Поставленная настоящим изобретением задача решается тем, что в известном уровнемере, содержащем погруженный в жидкость отрезок длинной линии, выполненной в виде прямолинейного стержня, генератор зондирующих микроволновых импульсов, выход которого соединен с верхним концом отрезка длинной линии, приемник, первый амплитудный селектор, измеритель временных интервалов, а также вычислитель уровня, при этом верхний конец отрезка длинной линии подключен к входу приемника, выход которого соединен с входом первого амплитудного селектора, опорный выход генератора зондирующих микроволновых импульсов и выход первого амплитудного селектора являются соответственно управляющими входами старт и стоп измерителя временных интервалов, выход которого соединен с первым входом вычислителя уровня, отрезок длинной линии имеет регулярные неоднородности по его длине, представляющие собой утолщения прямолинейного стержня, а уровнемер снабжен блоком калибровки, включенным между приемником и вычислителем уровня, и состоящим из последовательно соединенных второго амплитудного селектора и цифрового периодомера, при этом вход второго амплитудного селектора подключен к выходу приемника, управляющие входы старт и стоп цифрового периодомера подключены соответственно к опорному выходу генератора зондирующих микроволновых импульсов и выходу первого амплитудного селектора, а выход цифрового периодомера соединен со вторым входом вычислителя уровня.

Отличительными признаками согласно изобретению является то, что отрезок длинной линии имеет регулярные неоднородности по его длине, представляющие собой утолщения прямолинейного стержня, а уровнемер снабжен блоком калибровки, включенным между приемником и вычислителем уровня и состоящим из последовательно соединенных второго амплитудного селектора и цифрового периодомера, при этом вход второго амплитудного селектора подключен к выходу приемника, управляющие входы старт и стоп цифрового периодомера подключены соответственно к опорному выходу генератора зондирующих микроволновых импульсов и выходу первого амплитудного селектора, а выход цифрового периодомера соединен со вторым входом вычислителя уровня.

Благодаря применению отрезка длинной линии, имеющего регулярные неоднородности по его длине, от них происходит частичное отражение микроволновых импульсов, что позволяет с помощью блока калибровки по измеренному интервалу времени между микроволновыми импульсами, отраженными от смежных регулярных неоднородностей отрезка длинной линии, расположенных в газовой среде над уровнем жидкости и заданному расстоянию между ними определить скорость распространения электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии в газовой среде.

Результатом учета при определении уровня действительных значений скорости распространения электромагнитной волны является повышение точности уровнемера в условиях значительных изменений диэлектрической проницаемости газовой среды над уровнем жидкости.

На фиг.1 представлена структурная схема уровнемера; на фиг.2 показаны временные диаграммы сигналов, где U - амплитуды сигналов, t - текущее значение времени.

Уровнемер содержит отрезок длинной линии 1, генератор зондирующих микроволновых импульсов 2, приемник 3, первый амплитудный селектор 4, измеритель временных интервалов 5, вычислитель уровня 6 и блок калибровки 7.

Элементы уровнемера связаны между собой следующим образом. Верхний конец отрезка длинной линии 1, соединен с выходом генератора зондирующих микроволновых импульсов 2 и подключен к входу приемника 3. Вход амплитудного селектора 4 подключен к выходу приемника 3, а его выход соединен с управляющим входом стоп измерителя временных интервалов 5, управляющий вход старт которого подключен к опорному выходу генератора микроволновых импульсов 2. Выход измерителя временных интервалов 5 соединен с первым входом вычислителя уровня 6.

Блок калибровки 7, включенный между приемником 3 и вычислителем уровня 6, состоит из последовательно соединенных второго амплитудного селектора 8 и цифрового периодомера 9. Используемый в схеме цифровой периодомер 9 обеспечивает подсчет целого числа периодов сигнала в выделенном временном интервале, а результат измерения цифрового периодомера 9 определяется как среднее значение периода сигнала из всех периодов в пределах выделенного временного интервала.

Вход амплитудного селектора 8 подключен к выходу приемника 3, управляющие входы старт и стоп цифрового периодомера 9 подключены соответственно к опорному выходу генератора микроволновых импульсов 2 и выходу амплитудного селектора 4, а выход цифрового периодомера 9 соединен со вторым входом вычислителя уровня 6.

Отрезок длинной линии 1, выполненный в виде прямолинейного стержня, частично погружен в жидкость 10 и пересекает границу раздела газовой среды 11 и жидкости 10 - уровень жидкости 10 в емкости 12. Отрезок длинной линии 1 имеет регулярные неоднородности по его длине, представляющий собой утолщения прямолинейного стержня, в которых волновое сопротивление линии отклоняется от среднего значения. Например, регулярные неоднородности отрезка длинной линии могут быть выполнены в виде цилиндрических выступов 13 на отрезке длинной линии 1, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.

Уровнемер работает следующим образом.

С выхода генератора 2 зондирующие микроволновые импульсы подаются в верхний конец отрезка длинной линии 1 и распространяются вдоль нее в газовой среде 11 и жидкости 10 со скоростью V, зависящей от значений диэлектрической проницаемости этих сред. При распространении каждого зондирующего импульса происходит его частичное отражение последовательно: от регулярных неоднородностей 13 отрезка длинной линии 1, расположенных в газовой среде 11, границы раздела газовой среды 11 и жидкости 10 и от регулярных неоднородностей 13 отрезка длинной линии 1 в жидкости 10.

Зондирующий и отраженные импульсы поступают на вход приемника 3, сигналы на выходе которого, соответствующие принятым и преобразованным микроволновым импульсам, показаны на фиг.2,а, где 1 - зондирующий импульс, 2 - импульсы, отраженные от регулярных неоднородностей 13 в газовой среде 11, 3 - импульс, отраженный от границы раздела газовой среды 11 и жидкости 10, 4 - импульсы, отраженные от регулярных неоднородностей 13 в жидкости 10.

С выхода приемника 3 сигналы (фиг.2,а) подаются на вход амплитудного селектора 4, уровни срабатывания которого настроены на величину сигнала 3 (фиг.2,а).

Одновременно с подачей зондирующего микроволнового импульса в верхний конец отрезка длинной линии 1 с опорного выхода генератора 2 подается короткий отчетный импульс 5 (фиг.2,б) на управляющий вход старт измерителя временных интервалов 5.

При появлении на входе амплитудного селектора 4 сигнала 3 (фиг.2,а) на его выходе формируется короткий отчетный импульс 6 (фиг.2,б), который подается на управляющий вход стоп измерителя временных интервалов 5. С выхода измерителя временных интервалов 5 на первый вход вычислителя уровня 6 подается сигнал, пропорциональный временному интервалу t₁ между поданным в верхний конец отрезка длинной линии 1 зондирующим микроволновым импульсом 1 (фиг.2,а) и микроволновым импульсом 3 (фиг.2,а), отраженным от границы раздела газовой среды 11 и жидкости 10.

Для исключения влияния на точность определения уровня изменений скорости распространения электромагнитной волны V вдоль отрезка длинной линии 1, зависящей от диэлектрической проницаемости газовой среды 11, уровнемер снабжен блоком калибровки 7, позволяющим измерять эту скорость непосредственно в процессе определения уровня.

Блок калибровки 7 работает следующим образом.

С выхода приемника 3 сигналы (фиг.2,а) подаются на вход блока калибровки 7, которым является вход амплитудного селектора 8. Уровни срабатывания амплитудного селектора 8 настроены на величину сигналов 2 (фиг.2,а) и близких им по своему значению сигналов 4 (фиг.2,а) отраженных от регулярных неоднородностей 13 отрезка длинной линии 1 соответственно в газовой среде 11 и жидкости 10.

В моменты поступления на вход амплитудного селектора 8 сигналов 2 и 4 (фиг.2,а) они регистрируются им и на выходе амплитудного селектора 9 появляются совпадающие по времени с этими сигналами калибровочные импульсы соответственно 7 и 8 (фиг.2,в), которые подаются на вход цифрового периодомера 9.

В цифровом периодомере 9 из указанной последовательности калибровочных импульсов обеспечивается регистрация калибровочных импульсов 7 (фиг.2,г), поступивших на его вход в течение временного интервала t₁ выделенного отсчетными импульсами 5 и 6 (фиг.2,б), поданными на его управляющие входы старт и стоп соответственно с опорного выхода генератора микроволновых импульсов 2 и выхода амплитудного селектора 4.

Цифровым периодомером 9 осуществляется подсчет целого числа периодов калибровочных импульсов 7 (фиг.2,г) в выделенном временном интервале t₁ и определяется среднее значение периода этих калибровочных импульсов из всех периодов в пределах этого временного интервала.

С выхода цифрового периодомера 9, который является выходом блока калибровки 7, сигнал пропорциональный среднему значению периода калибровочных импульсов 7 (фиг.2,г), соответствующих сигналам 2 (фиг.2,а), отраженным от регулярных неоднородностей 13 отрезка длинной линии 1 в газовой среде 11, поступает на второй вход вычислителя уровня 6, где по его величине и известному расстоянию между ними определяется скорость V распространения электромагнитной волны в газовой среде 11 вдоль отрезка длинной линии 1.

Таким образом в вычислителе уровня по значениям временного интервала t₁ и скорости V распространения электромагнитной волны в газовой среде определяется уровень жидкости 10.

Использование заявляемого изобретения позволяет повысить точность измерения уровня жидкости в условиях значительных изменений диэлектрической проницаемости газовой среды над ней, влияющих на скорость распространения электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии в газовой среде, за счет непосредственного измерения этой скорости и учета ее величины при определении уровня.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости в условиях значительных изменений диэлектрической проницаемости газовой среды над ее уровнем, преимущественно для контроля уровня воды в энергетических паровых котлах. Уровнемер содержит погруженный в жидкость отрезок длинной линии, выполненной в виде прямолинейного стержня, генератор зондирующих микроволновых импульсов, выход которого соединен с верхним концом отрезка длинной линии, приемник, первый амплитудный селектор, измеритель временных интервалов, а также вычислитель уровня. При этом верхний конец отрезка длинной линии подключен к входу приемника, выход которого соединен с входом первого амплитудного селектора, опорный выход генератора зондирующих микроволновых импульсов и выход первого амплитудного селектора являются соответственно управляющими входами старт и стоп измерителя временных интервалов, выход которого соединен с первым входом вычислителя уровня. Отрезок длинной линии имеет регулярные неоднородности по его длине, представляющие собой утолщения прямолинейного стержня, а уровнемер снабжен блоком калибровки, включенным между приемником и вычислителем уровня и состоящим из последовательно соединенных второго амплитудного селектора и цифрового периодомера, при этом вход второго амплитудного селектора подключен к выходу приемника, управляющие входы старт и стоп цифрового периодомера подключены соответственно к опорному выходу генератора зондирующих микроволновых импульсов и выходу первого амплитудного селектора, а выход цифрового периодомера соединен со вторым входом вычислителя уровня. Технический результат - повышение точности измерения уровня жидкости. 2 ил.

Уровнемер, содержащий погруженный в жидкость отрезок длинной линии, выполненной в виде прямолинейного стержня, генератор зондирующих микроволновых импульсов, выход которого соединен с верхним концом отрезка длинной линии, приемник, первый амплитудный селектор, измеритель временных интервалов, а также вычислитель уровня, при этом верхний конец отрезка длинной линии подключен к входу приемника, выход которого соединен с входом первого амплитудного селектора, опорный выход генератора зондирующих микроволновых импульсов и выход первого амплитудного селектора являются соответственно управляющими входами старт и стоп измерителя временных интервалов, выход которого соединен с первым входом вычислителя уровня, отличающийся тем, что отрезок длинной линии имеет регулярные неоднородности по его длине, представляющие собой утолщения прямолинейного стержня, а уровнемер снабжен блоком калибровки, включенным между приемником и вычислителем уровня и состоящим из последовательно соединенных второго амплитудного селектора и цифрового периодомера, при этом вход второго амплитудного селектора подключен к выходу приемника, управляющие входы старт и стоп цифрового периодомера подключены соответственно к опорному выходу генератора зондирующих микроволновых импульсов и выходу первого амплитудного селектора, а выход цифрового периодомера соединен со вторым входом вычислителя уровня.